книги из ГПНТБ / Новиков, И. И. Теория термической обработки металлов учебник

выделений, особенно если удельный объем при распаде раствора возрастает. Закалочные вакансии способствуют также диффузион­ ному росту зародышей новой фазы. Можно принять, что при неко­ торой пересыщенности раствора легирующим элементом, т. е. при определенной температуре старения Т1г распад за определенное время происходит только в той части тела зерна, где концентрация вакансий не ниже некоторой критической величины С\.

Если кривая 1 на рис. 185 характеризует распределение кон­ центрации вакансий по сечению зерна матричного раствора в за­ каленном сплаве, то при температуре старения Тi в приграничной зоне шириной ob\ распада не произойдет, так как здесь концентра­ ция вакансий ниже С\. При более низкой температуре старения Т2

С повышением температуры нагрева под закалку возрастает равновесная концентрация вакансий и становится резче ее гради­ ент вблизи стока — границы зерна (кривая 2 на рис. 185). Поэто­ му при одинаковой температуре старения и соответственно одина­ ковой критической концентрации вакансий зона нераспавшегося раствора с повышением температуры закалки сужается (оЬ^<СоЬ]).

Если замедлить охлаждение при закалке, то на границу зерна успевает стечь больше вакансий (сравните .кривые 2 и 3) и свобод­ ная от выделений зона оказывается шире (ob3> o b 4) .

Таким образом, для сужения приграничных зон, свободных от выделений, следует повышать температуру закалки, ускорять за­ калочное охлаждение и понижать температуру старения. Плас­ тическая деформация закаленного сплава перед старением, спо­ собствуя распаду пересыщенного раствора, может полностью предотвратить появление этих зон.

Рассмотренные закономерности влияния разных факторов на ширину зон, свободных от выделений неоднократно устанавлива­ лись при изучении алюминиевых и титановых сплавов. Роль этих зон при эксплуатации состаренных сплавов во многих случаях окончательно, не ясна. Например, по поводу их роли в высоко­ прочных сплавах на базе системы А1—Zn—Mg высказываются прямо противоположные точки зрения. Одно время усиленно под­ черкивали, что свободные от выделений зоны вредны. Во-первых, из-за меньшей прочности в них должны локализоваться пласти­ ческая деформация и начинаться преждевременное разрушение. Во-вторых, локализованное растворение пластически деформи­ рованных зон, являющихся анодом по отношению к остальному зерну, служит причиной ускоренного развития межзеренных тре­ щин при коррозии под напряжением. Однако получены экспери­ ментальные данные, показывающие, что с уширением свободных от выделений приграничных зон пластичность растет (при пони-

312

женин температуры нагрева под закалку) и повышается стой­ кость против коррозии под напряжением (при замедлении зака­ лочного охлаждения). Рост пластичности объясняется тем, что в мягкой приграничной зоне полнее релаксируют напряжения, ко­ торые концентрируются в месте остановки полосы скольжения границей зерна. Чем шире мягкая зона, тем полнее релаксируют эти напряжения и тем самым затрудняется зарождение и разви­ тие здесь трещин.

Окончательных выводов о- роли приграничных зон, свободных от выделений, сделать сейчас нельзя, так как изменение их шири­ ны при варьировании режима термообработки одновременно из­ меняет и другие структурные характеристики, влияющие на свой­ ства сплава.

Коагуляция выделений

В процессе непрерывного распада твердого раствора суммар­ ный объем выделений увеличивается, а концентрация легирую­ щего элемента в растворе снижается. Когда состав матричного раствора становится близким к равновесному при температуре старения, суммарный объем выделений перестает изменяться, но структура состаренного сплава нестабильна — дисперсные выде­ ления склонны к укрупнению, коагуляции.

Выделения в состаренном сплаве, отделенные одно от другого решеткой матрицы, не могут укрупняться слиянием так, как сли­ ваются капли ртути иод действием сил поверхностного натяжения. Движущей силой коагуляции является разность свободных энер­ гий более мелких и более крупных частиц. В состаренном сплаве из-за разных локальных условий роста размеры выделений раз­ ные. Чем мельче выделение, тем больше доля атомов, расположен­ ных на его поверхности (по отношению ко всем атомам выделе­ ния), и тем, следовательно, выше средняя свободная энергия, при­ ходящаяся на 1 г-атом выделения.

На рис. 186 кривая свободной энергии мелких частиц {5-фазы (Fp) расположена выше кривой свободной энергии крупных

частиц этой же фазы (Fp ). Из схемы на рис. 186 видно, что концентрация а-раствора, находящегося в равновесии с мелкими выделениями (5-фазы (См), должна быть выше, чем при равнове­ сии с крупными выделениями (Ск). Этот же вывод следует из уравнения (30).

Таким образом, в матричном растворе существует градиент концентраций легирующего элемента между выделениями разно­ го размера (рис. 187). Этот градиент непосредственно и вызывает коагуляцию. Выравнивающая диффузия понижает концентрацию раствора на его границе с мелким выделением, и оно растворяет­ ся, поддерживая равновесную концентрацию раствора на своей границе. Та же диффузия повышает концентрацию раствора на его границе с крупным выделением, раствор здесь пересыщается и выделяет (5-фазу, поддерживая равновесную концентрацию С,:.

313

Фаза р выделяется на готовой поверхности крупной частицы, кото­ рая таким путем растет при одновременном растворении мелкого выделения вплоть до его полного исчезновения. Следовательно,

коагуляция выделений во время старения происходит вследствие переноса вещества через матричный раствор (из-за градиента кон­ центраций) при растворении более мелких и росте более крупных выделений.

Средний радиус частиц г с увеличением времени старения т при коагуляции изменяется в соответствии с уравнением Лифши- ца—Слезова:

циент диффузии с повышением температуры возрастает по экспо­ ненте, и поэтому коагуляция сильно ускоряется с ростом темпе­ ратуры старения. Этому способствует также увеличение С<ю с ростом температуры. Поверхностно активные добавки, снижаю­

314

щие значение у на границе выделения с матрицей, уменьшают скорость коагуляции.

Коагуляция является единственным структурным изменением стареющего сплава после образования выделений стабильной фа­ зы. Но это не значит, что коагулируют только выделения ста­ бильной фазы. Аналогично могут коагулировать и выделения про­ межуточных фаз и зоны Гинье—Престона, так как концентрация раствора, находящегося в метастабильном равновесии с ними, зависит от размера соответствующих выделений (в том числе и зон ГП). Поэтому коагуляцию можно наблюдать на разных ста­ диях распада раствора. Но особенно большой практический инте­ рес она представляет как заключительная стадия распада.

§43. ИЗМЕНЕНИЕ СВОЙСТВ СПЛАВОВ ПРИ СТАРЕНИИ

1.Природа упрочнения при старении

Упрочнение при старении — результат торможения дислока­ ций теми выделениями, которые образовались при распаде пере­ сыщенного твердого раствора. Можно указать при главных при­ чины упрочнения: 1) торможение дислокаций полем упругих на­ пряжений в матрице вокруг выделений; 2) «химическое» упроч­ нение при перерезании выделений дислокациями; 3) упрочнение при обходе частиц дислокациями.

лений, так как когерентность решеток обеспечивается упругой де­ формацией их около границы раздела (см. рис. 166,а, б). Величи­ на упругих напряжений тем больше, чем больше размерное несо­ ответствие структуры матрицы и выделения, выше модуль упру­ гости матрицы и больше площадь когерентной границы. Для про­ движения дислокаций через упругую деформированную матрицу требуется приложить напряжение, превышающее среднее напря­ жение поля упругих деформаций вокруг выделений. Соответству­ ющее упрочнение является результатом дальнодействующего влияния выделений на дислокации.

Решетка выделения не идентична решетке матрицы, даже ес­ ли речь идет о полностью когерентном выделении. Поэтому дисло-

Рис. '188. Перерезание выде­ лений скользящей краевой дислокацией (схема)

о15

нация, входящая со своим вектором Бюргерса в выделение, на­ рушает укладку атомов вдоль плоскости скольжения. Чем больше отличается строение выделения в плоскости перерезания от стро­ ения матрицы в этой же плоскости, тем сильнее нарушение ук­ ладки атомов внутри выделения и тем выше требуется напряже­ ние для перерезания выделений дислокациями. В случае когерен­ тного выделения (зоны ГП) поверхностная энергия на плоскости

2. Величина упрочнения при образовании выделений разного типа

Величина упрочнения зависит от типа выделений, их строения, свойств, размера, формы, характера и плотности распределения, степени несоответствия решеток матрицы и выделения и темпера­ туры испытания.

316

Благодаря гомогенному зарождению плотность распределения зон ГП весьма большая и расстояние между ними обычно на-

О

столько мало (порядка 102 А), что для проталкивания дислокаций требуются большие напряжения, чем для перерезания зон. Следо­ вательно, зоны ГП вызывают «химическое» упрочнение. Если раз­ ница в атомных диаметрах растворимого и растворителя неболь­ шая, то энергия упругих деформаций матрицы мала и «химичес­ кое» упрочнение является единственной причиной повышения прочности при старении (пример — сплавы А1—Ag и А1—Zn). При большой разнице в атомных диаметрах, например в сплавах А1—Си и Си—Be, вокруг зон ГП создается поле значительных уп­ ругих напряжений, которое вносит свой вклад в торможение дис­ локаций зонами и в упрочнение при старении.

Полукогерентные выделения промежуточной фазы могут ока­ зывать сильное упрочняющее влияние, если расстояние между ними мало. При прочих равных условиях поле напряжений вок­ руг полукогерентных выделений слабее, чем вокруг когерентных, и, следовательно соответствующая составляющая упрочнения при старении должна быть меньше. Однако выделения промежуточ­ ной фазы сильнее, чем зоны, отличаются по структуре от матри­ цы, и поэтому при их перерезании дислокациями создается боль­ шое нарушение укладки атомов. Следовательно, каждое выделе­ ние промежуточной фазы способно вызвать более сильное «хими­ ческое» упрочнение, чем зона ГП, что при достаточно высокой плотности выделений может привести к получению большей проч­ ности состаренного сплава по сравнению с зонной стадией распада. Если же плотность выделений промежуточной фазы значительно ниже, чем зон ГП, то приложенные напряжения, способные про­ талкивать дислокации между выделениями, могут оказаться ни­ же напряжений, требуемых для перерезания зон ГП. В этом слу­ чае прочность сплава на стадии выделений промежуточной фазы

ниже, чем на зонной.

Выделения стабильной фазы обычно некогерентны матрице, вокруг них нет полей упругих напряжений, а расстояния между выделениями достаточно велики, и дислокации под действием сравнительно небольших напряжений могут их обходить. Поэто­ му выделения стабильных фаз обычно вызывают значительно бо­ лее слабое упрочнение при старении, чем зоны ГП и выделения метастабильных фаз.

Роль типа выделений проследим на примере сплавов А1—'Си. На рис. 190 показаны кривые нарастания истинных напряжений течения при деформировании кристаллов пересыщенного твердо­ го раствора А1—-*4% Си, в котором предварительным старением были получены выделения разного типа: зоны ГП, 0"-, 0'- или 0- фаза. Рис. 190 позволяет сравнить значения начального (крити­ ческого) напряжения течения и способность к деформационному упрочнению — нарастанию напряжения течения с ростом степени деформации (по наклону кривых).

317

Рис. 190. Кривые истинные напряжения — удлинение сплава А1 —4% Си смононристальнсй матрицей и ‘выделениями равного типа (Файн, Бирн и Келли)

Сплав с зонами ГП и когерентными выделениями 0"-фазы от­ личается высоким начальным напряжением течения и малой ве­ личиной деформационного упрочнения. Наклон кривых истинных напряжений сплава с зонами ГП и ©"-фазой небольшой.

Вмонокристаллах, результаты испытания которых пред­

А1—4% Си показывает, что дислокации не проталкиваются между зонами ГП и выделениями 0"-фазы, а перерезают их.

Выделения 0"-фазы сильнее повышают уровень напряжений течения сплава А1—Си, чем зоны ГП, так как вокруг них в мат­ рице выше упругие напряжения [см. структурное несоответствие решеток матрицы и 0"-фазы по плоскостям (010) и (400) на рис. 177]. Выделения 0"-фазы, сильнее отличающиеся по структуре пт матрицы, должны вызывать и большее «химическое» упрочне­ ние, так как при перерезании их дислокациями возникает более сильное нарушение укладки атомов, чем при перерезании зон ГП.

Начальное напряжение течения в сплаве с выделениями 0'- фазы меньше, чем в сплаве с 0"-фазой, а деформационное упроч­ нение больше (кривая истинных напряжений на рис. 190 идет го­ раздо круче). Объясняется это тем, что расстояние между выде­ лениями б'-фазы были достаточно велики и дислокации протал­ кивались между ними при напряжении меньше того, которое необходимо для перерезания выделений. С ростом степени дефор­ мации вокруг выделений растет число дислокационных петель, оставляемых каждой скользящей дислокацией. Эти петли затруд­ няют проталкивание последующих дислокаций, чем и объясняет­

318

ся интенсивный рост сопротивления деформированию с увеличе­

нием степени деформации.

Аналогичная картина наблюдается в сплаве с выделениями стабильной 0-фазы. Так как эти выделения полностью некогерент­ ны матрице (см. рис. 177), а расстояние между ними еще больше

роткое время. По сравнению же с исходным закаленным сплавом (начальная точка на оси ординат) пересгаренный сплав может быть значительно прочнее.

Врепя старения

Рас. 191. Схема зависимости прочностных свойств от продолжи­ тельности старения при разных температурах (Г |< Г 2<7'3)

319